JP2005207625A - 熱光発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エミッタと光電変換セル間の光漏洩による損失を低減し、エミッタの断熱性を高め、エミッタの発光効率を向上させる。
【解決手段】 熱光発電装置１は、燃焼エネルギの供給により発光する多孔質のエミッタ２とエミッタ２の発光を受けて電気エネルギに変換する発電セル３とを備え、エミッタ２と対向する位置に発電セル３を配置し、エミッタ２の横側に燃焼室４を設け、燃焼室４における燃焼により発生する熱をエミッタ２と発電セル３との間に供給する熱供給路５を設けて構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は熱源から輻射される赤外光（赤外線、熱線ともいう）を光電変換素子（光電変換セル）にて電力に変換する熱光起電力変換（thermo-photovoltaic energy conversion）により発電を行う熱光発電装置（ＴＰＶシステム）に関する。

熱光発電装置では、高熱源体であるエミッタ（輻射体）を加熱することにより、そのエミッタから一定の波長の赤外光を輻射させ、その赤外光を光電変換素子に入射させて電力に変換する。熱光発電装置は、可動部分を持たないため、無騒音・無振動システムを実現することができる。

熱光発電は、クリーン性、静粛性などの点で優れているので次世代のエネルギ源として発展性が期待される。エミッタを加熱するために、燃焼熱、太陽熱、原子核崩壊熱などが利用可能であるが、一般的には、ブタンなどのガス燃料の燃焼により発生する燃焼ガスがエミッタ加熱用に利用される。

例えば、特許文献１には、多孔質固体により製作されたポーラス体のエミッタと、燃焼ガスがそのエミッタ内を通過するように構成されたエミッタ加熱手段と、そのエミッタからの輻射エネルギを電気エネルギに変換する光電変換素子と、を備えたＴＰＶシステムが開示されている。エミッタに如何に効率よく熱エネルギを伝え、昇温させ、エミッタから如何に多くの赤外光を得るかがＴＰＶシステムの発電効率向上のため重要である。

特許文献１に示される如き従来の技術においては、燃焼器（バーナ）にて発生した高温の燃焼ガスが、エミッタを通過してそれを加熱しているが、エミッタにおける燃焼ガスの通過部位にばらつきが発生し、これによりエミッタからの発光もばらつく。この原因としては、燃焼器における火炎発生部位の分布、エミッタの流路抵抗の不適合、運転状況の変化（発電要求量の変化に伴う燃焼量の変化により燃焼ガスのエミッタ通過状態が変化する）、等が挙げられる。

エミッタの発光が不均一である場合には、受光する複数の光電変換素子（光電変換セル）に入射するエネルギ量がばらつくこととなる。そのため、個々の光電変換セルの発電量に差が生ずる。その結果として、各セル間に発電量に応じた電流量の差が発生する。また、複数の光電変換セルは一般に直列に接続されているため、総発電量は、「各セル発生電圧の和」×「最小発電量セルの電流」により決まる。したがって、ばらつきが大きいと、「最小発電量セルの電流」が小さくなり、結果として、電力変換効率が低下する。

この点に鑑み、特許文献２に開示の熱光発電装置は、エミッタにおける発光の強度を均一化することにより発電効率の向上を図ったものである。この装置は、燃料及び空気の供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器から発生する燃焼ガスをエミッタの燃焼ガス流路に通過させることによりエミッタを加熱し、該エミッタからの輻射光を光電変換素子により電力に変換する熱光発電装置において、燃焼ガスの状態に応じてエミッタの燃焼ガス流路抵抗を可変する手段を設けている。

均一な厚さを有するエミッタにおいては形成される火炎との位置関係で加熱されやすい部分とそうでない部分とが生ずるのに対し、特許文献２の熱光発電装置では、燃焼ガスの状態に応じてエミッタの燃焼ガス流路抵抗が可変であるため、火炎から遠い部分にガスを多く流すことができ、結果として、エミッタの温度分布の均一化を図ることができる。

しかしながら、特許文献２の熱光発電装置では、エミッタに極力高温の燃焼ガスを導くために、エミッタの発光面の直下に燃焼スペースを確保している。このため、光電変換セルをエミッタの発光面に近づけることができず離さざるを得ないので、エミッタ発光面と光電変換セルとの間で光が漏洩し漏洩により大きなる損失が生じ、エミッタの発光効率が低下するという問題がある。

特開昭６３−３１６４８６号公報（明細書の［請求項１］、［実施例］および図面の第１図、第２図参照） 特開２００３−４６１０６号公報（明細書の段落番号［０００１］〜［０００９］および図面の図１参照）

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、端的に言えば、エミッタと光電変換セル間の光漏洩による損失を低減すると同時に、エミッタ（を加熱する燃焼ガスのエミッタ加熱に寄与しない流出を防止してエミッタ）の断熱性を高め、エミッタの発光効率を向上させる熱光発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明による熱光発電装置は、燃焼エネルギの供給により発光するエミッタと該エミッタの発光を受けて電気エネルギに変換する光電変換素子とを備えた熱光発電装置において、前記エミッタと対向する位置に前記光電変換素子を配置し、該エミッタの横側に燃焼室を設け、該燃焼室における燃焼により発生する熱を前記エミッタと前記光電変換素子との間に供給する熱供給路を設けた、ことを特徴とする。
上記構成により、エミッタと熱光発電素子との間を接近させることができるので、発電効率が向上する。

上記熱光発電装置において、前記燃焼室の囲いを２つの部材で構成し、これら２つの部材間の合わせ目で熱供給路を構成する。
上記構成により、燃焼室の気密性が向上し、燃焼室の熱供給路以外の箇所から外部へのガス漏れを排除でき、かつ燃焼室の製造を容易にすることができる。

上記熱光発電装置において、燃焼用のガスと空気を混合させる混合室を前記燃焼室の上流側に設け、前記２つの部材のうち前記熱供給路とは異なる合わせ目部分を前記燃焼室の上側に設け、該合わせ目部分が前記燃焼室と前記混合室を連通するよう構成する。
上記構成により、燃焼室に混合室からの気体が流入することになるので、燃焼ガスが燃焼室外部に流出され難くなる。

上記熱光発電装置において、前記熱供給路に空気を導入する経路を設ける。
上記構成により、熱供給路に空気が導入されるので未燃焼ガスが二次燃焼し、エミッタに高温の燃焼ガスを導入できる。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を詳細に説明する。以下の図面において、同一のものは同一参照番号を付して示す。
図１は本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の構成を示す断面図である。図１全体に示す熱光発電装置１は、燃焼エネルギの供給により発光する多孔質のエミッタ２とエミッタ２の発光を受けて電気エネルギに変換する光電変換素子（発電セル）３とを備える。図１に示すように、熱光発電装置１には、エミッタ２と対向する位置に発電セル３が配置され、エミッタ２の横側に燃焼室４が設けられ、燃焼室４における燃焼により発生する熱をエミッタ２と発電セル３との間に供給する熱供給路５が設けられている。

次に、熱光発電装置１の作用を説明する。空気が、空気導入口１１より導入され、熱交換器１２を通過して受熱された後、空気噴出口１３から予混合室１４に流入する。予混合室１４内の空気は、燃料噴射孔１５から噴射される燃料とともに、燃焼室４に流入し、燃焼室４内で燃焼する。燃焼室４内で燃焼したガスは、エミッタ２内を通り、熱エネルギをエミッタ２に渡し、残った熱エネルギを熱交換器１２にて空気導入口１１から導入された空気に渡し、燃焼ガス出口１６から装置１の外部に放出される。

燃焼ガスで加熱されたエミッタ２は、下面へ放射（赤外）光を輻射することにより熱エネルギを放出し、その赤外光を発電セル３に入射させる。発電セル３は、入射光を電気エネルギに変換する。このエネルギは直流であるので用途に応じては交流に変換される。

フィルタガラス１７は、エミッタ２と発電セル３との間に配設され、発電セル３に有効な波長領域の光のみを透過させ、透過されない波長の光はエミッタ２に戻され再びエミッタ２を加熱し、エミッタ２に蓄えられた熱エネルギの殆ど全てを発電セル３に有効な波長領域の光として発電セル３に導くものである。これにより装置１の発電効率が向上する。
セル冷却ブロック１８は、装置１の底面部を冷却し、装置１の設置箇所の過昇温を防止する。
燃焼室４を囲む断熱壁２１は、エミッタ２の側面を囲み、熱放出を回避する。

本発明の第一実施形態によれば、断熱壁２１で構成された燃焼室４をエミッタ２の側面を囲うように配置したので、下記の効果（イ）〜（ニ）が得られる。
（イ）発電セル３をエミッタ２の発光面に近接させることができ、光の漏洩による損失を大幅に低減することができる。
（ロ）熱供給路５を設けたことにより、燃焼ガスの温度を低下させることなくエミッタに導くことができる。
（ハ）完全に燃焼を終えた均一なガスをエミッタ２に導くことができ、エミッタ２の加熱のムラを軽減し、エミッタ２の発光面からの発光ムラが軽減される。
（ニ）エミッタ２の側面の断熱を行うことができる。

図２は本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置１０１における主要部の作用を示す断面図である。第一実施形態とは断熱壁２１で囲まれた燃焼室４をエミッタ２の中央に配設した点と燃料噴射孔１３の代わりにバーナ２５を設けた点とで異なる。

次に、熱光発電装置１０１の作用を説明する。空気導入口１１より導入された空気は、熱交換器１２を通過して受熱された後、バーナ２５から供給される燃料とともに、燃焼室４に流入し、燃焼する。燃焼ガスは、エミッタ２内を通り、熱エネルギをエミッタ２に渡し、残った熱エネルギを熱交換器１２にて空気導入口１１から導入された空気に渡し、燃焼ガス出口１６から装置１０１の外部に放出される。

燃焼ガスで加熱されたエミッタ２は、下面へ放射（赤外）光を輻射することにより熱エネルギを放出し、その赤外光を発電セル３に入射させる。発電セル３は、入射光を電気エネルギに変換する。

本発明の第二実施形態によれば、断熱壁で構成された燃焼室４をエミッタ２の中央に配置したので、上記の第一実施形態の効果（イ）〜（ニ）が得られると共に、第一実施形態と比べてより一層燃焼ガスからの熱吸収がよくなり、エミッタ２の発光効率が向上する。

図３は本発明の第三実施形態に係る熱光発電装置２０１における主要部の作用を示す断面図である。第一実施形態とは熱放出を回避するためエミッタ２の上面も断熱壁２１と同材質の断熱蓋２２で覆うように構成した点で異なる。

次に、熱光発電装置２０１の作用を説明する。空気導入口１１より導入された空気は、熱交換器１２を通過して受熱された後、空気噴出口１３から予混合室１４に流入する。予混合室１４内の空気は、燃料噴射孔１５から噴射される燃料とともに、燃焼室４に流入し、燃焼室４内で燃焼する。燃焼ガスは、エミッタ２内を通り、熱エネルギをエミッタ２に渡し、残った熱エネルギを熱交換器１２にて空気導入口１１から導入された空気に渡し、燃焼ガス出口１６から装置２０１の外部に放出される。

燃焼ガスで加熱されたエミッタ２は、下面へ放射（赤外）光を輻射することにより熱エネルギを放出し、その赤外光を発電セル３に入射させる。発電セル３は、入射光を電気エネルギに変換する。

本発明の第三実施形態によれば、エミッタ２の上面も断熱壁２１と同材料の断熱蓋２２で覆うよう構成したので、下記の効果（ホ）、（ヘ）が得られる。
（ホ）エミッタ２の上面の断熱を行い、発光効率が向上する。
（ヘ）エミッタ２からの熱放出が減少し、エミッタ２の上方に配置される熱交換器１２等の部品を熱害から保護することができる。特に、熱交換器１２では、排気熱を回収する上で熱交換器１２の効率を向上させることができる。

図４は本発明の第四実施形態に係る熱光発電装置３０１の構成を示す断面図である。第一実施形態とは空気導入口４１の位置が異なる点と後述する空気誘導路４２、吊り下げ式ケーシング４３、空気流路４４および外側ケーシング４５を設けた点とエミッタ２の上面に熱放出を回避するための断熱蓋２２を設けた点とで異なる。

次に、熱光発電装置３０１の作用を説明する。空気導入口４１より導入された空気は、まず空気誘導路４２を通ってフィルタガラス１７と発電セル３との間に導かれる。その後、導入された空気は、吊り下げ式ケーシング４３を包むように断熱層を兼ね外側ケーシング４５で囲まれた空気流路４４内を流れ、熱交換器１２内に流入し、熱交換器１２を通過して受熱された後、空気噴出口１３から予混合室１４に流入する。予混合室１４内の空気は、燃料噴射孔１５から噴射される燃料とともに、燃焼室４に流入し、燃焼する。燃焼ガスは、エミッタ２内を通り、熱エネルギをエミッタ２に渡し、残った熱エネルギを熱交換器１２にて、先に空気導入口４１から導入され、空気誘導路４２、空気流路４４を経由して流入してきた空気に渡し、燃焼ガス出口１６から装置の外部に放出される。

燃焼ガスで加熱されたエミッタ２は、下面へ放射（赤外）光を輻射することにより熱エネルギを放出し、その赤外光を発電セル３に入射させる。発電セル３は、入射光を電気エネルギに変換する。

本発明の第四実施形態によれば、装置３０１の高温部本体を吊り下げ式ケーシング４３により吊り下げる構造とし、外側ケーシング４５との接触をできるだけ最小にするとともに、高温部本体の周囲に、両ケーシング間に形成された空気流路４４を設けたので、下記の効果（ト）〜（ヌ）が得られる。
（ト）高温部本体（吊り下げ式ケーシング４３）の断熱性を高めることができる。
（チ）空気流路４４内を流れる空気は、熱伝達され、予熱として燃焼ガスの温度上昇に寄与できる。
（リ）空気流路４４が断熱層となり、外側ケーシング４５への熱伝導を抑制でき、外気への熱伝導による熱損失を抑制できる。
（ヌ）高温部本体を吊り下げ構造としたので低温であるセル冷却ブロック１８への熱伝導を抑制できる。

また、本発明の第四実施形態によれば、高温部本体の周囲に、空気をフィルタガラス１７と発電セル３との間に導く空気誘導路４２を設けたので、発電セル３の冷却に寄与し、フィルタガラス１７の加熱を防止できるという効果（ル）を有する。

図５は図４に示す熱光発電装置３０１における燃焼室の構成を示す断面図であり、図６は図５に示す燃焼室の製造過程を示す図である。燃焼室４は２つの構成部品５１、５２を組み合わせて囲うことにより構成される。図５に示すように、燃焼室４を構成する２つの構成部品５１、５２間の合わせ目のうち一方の第１の合わせ目で、燃焼室４内の燃焼ガスをエミッタ２に供給する熱供給路５３が設けられ、他方の第２の合わせ目で、燃焼室４と不図示の混合室との間を連通する通路５６が設けられている。

ここで、燃焼について説明する。燃料と空気の混合気は混合気通路５４を介して燃焼室４内に流入し、ここで燃焼して高温ガスとなって熱供給路５３を通り燃焼ガス出口５５からエミッタ２に噴出する。

上述したように、燃焼室を２つの構成部品で構成することにより、型による成型、削り出し加工等、装置の製造を容易にすることができる。また、合わせ面内側（熱供給路５３）で燃焼ガス出口５５を設けることによりガス漏れ等の気密性の問題を排除できる。また、合わせ面外側（通路５６）を設けるための穴加工もしくはスリット加工が不要となる。

図７は図５に示す熱光発電装置３０１における燃焼室の構成を示す断面図である。燃焼用のガスと空気を混合させる混合室７１を燃焼室４の上流側に設け、２つの構成部品５１、５２の合わせ目のうち熱供給路（第１の合わせ目）５３とは異なる第２の合わせ目である通路５６を燃焼室４の上側に設け、通路５６が燃焼室４と混合室７１を連通するよう構成されている。

ここで、燃焼について説明する。混合気入口７２から燃焼室４に導入される燃料と空気が第１構成部品５１と第２構成部品５２から構成される燃焼室４内で燃焼し高温ガスとなって熱供給路５３を通り燃焼ガス出口５５からエミッタ２に噴出する。

合わせ面外側（通路５６）を設けたことにより、混合室７１内の圧力の方が燃焼室４内の圧力より高いので混合室７１から燃焼室４に混合気入口７２を通らずにバイパスして漏れガス流路７３を通って空気が漏れるが、この空気は燃焼室４内で燃焼に寄与することとなり、漏れは燃焼に悪影響を及ぼすことはない。したがって、燃焼室製造に際し、合わせ面のシール構造やシール部品を不要とし、燃焼室の気密性をもたせるための外枠部品を不要にすることができる。

図８は図５に示す熱光発電装置における断熱構造を示す断面図である。図８に示すように、エミッタ２の断熱を兼ねた構成部品５１の内側の壁面に段差８１を設け、エミッタ２を保持するよう構成することにより、エミッタ２の保持部品を排除することができる。

ここで、燃焼について説明する。混合気入口７２から燃焼室４に導入される燃料と空気が第１構成部品５１と第２構成部品５２から構成される燃焼室４内で燃焼し高温ガスとなって熱供給路５３を通り燃焼ガス出口５５からエミッタ２に噴出する。噴出した燃焼ガスはエミッタ２を加熱する。

ここで、段差８１を設けるエミッタ保持部品排除以外の理由について説明する。燃焼ガスは、段差８１を設けないとエミッタ２の外周の流路８２を通って下方から上方に抜けてしまいエミッタ２の加熱に寄与しないが、エミッタ２を保持する段差８１を設けることにより、エミッタ２内の流路８３を通って下方から上方に抜けエミッタ２の加熱に寄与できる。

図９は図５に示す熱光発電装置における第２燃焼室を示す断面図である。上述した第１〜第４実施形態において、図９に示すように、熱供給路５３に空気を導入するバイパス経路９１を設けた構成にすることもできる。バイパス経路９１は、燃焼室４を構成する部品において、外側の壁面に設けられ、空気の一部を燃焼ガス出口５５で燃焼室４から噴出される燃焼ガスと合流させ、ここで二次燃焼させるためのものである。これにより、燃焼室４から燃焼ガス出口５５までの熱伝達による熱損失を低減し、燃焼効率を向上させ、高温の燃焼ガスをエミッタ２に送ることができる。また、バイパス経路９１は燃焼室４を保持する部品との間で空気層を形成し、この空気層により、断熱効果が得られ、熱効率が向上する。

ここで、二次燃焼について説明する。燃料と空気がそれぞれが燃料噴射孔１５と空気噴射孔１３から供給され、混合気通路５４を介して混合気入口７２から燃焼室４内に流入し、燃焼室４内で燃焼し高温ガスとなって熱供給路５３を通り燃焼ガス出口５５からエミッタ２に噴出する。しかるに、一部の空気は、空気バイパス経路９１を通り、第２燃焼室、すなわち燃焼ガス出口５５付近で、熱供給路５３を通って燃焼ガス出口５５から噴出する燃焼ガスと合流し、未燃ガスと二次燃焼した後、エミッタ２に噴出し、エミッタ２を加熱する。

以上説明した実施形態において、燃料としては、ブタン、プロパン等の燃焼性気体燃料またはガソリン、灯油、軽油等の燃焼性液体燃料が用いられる。また、液体燃料の場合は噴霧する装置が設けられる。

本発明の第一実施形態に係る熱光発電装置の構成を示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る熱光発電装置における主要部の作用を示す断面図である。 本発明の第三実施形態に係る熱光発電装置における主要部の作用を示す断面図である。 本発明の第四実施形態に係る熱光発電装置の構成を示す断面図である。 図４に示す熱光発電装置における燃焼室の構成を示す断面図である。 図５に示す燃焼室の製造過程を示す図である。 図５に示す熱光発電装置における燃焼室の構成を示す断面図である。 図５に示す熱光発電装置における断熱構造を示す断面図である。 図５に示す熱光発電装置における第２燃焼室を示す断面図である。

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１…熱光発電装置
２…多孔質エミッタ
３…発電セル（光電変換素子）
４…燃焼室
５…熱供給路
１１…空気導入口
１２…熱交換器
１３…空気噴射孔
１４…予混合室
１５…燃料噴射孔
１６…燃焼ガス出口
１７…フィルタガラス
１８…セル冷却ブロック
２１…断熱壁
２２…断熱蓋
２５…バーナ
４１…空気導入口
４２…空気誘導路
４３…吊り下げ式ケーシング
４４…空気流路
４５…外側ケーシング
５１…第１構成部品
５２…第２構成部品
５３…熱供給路（合わせ面内側）
５４…混合気通路
５５…燃焼ガス出口
５６…通路（合わせ面外側）
７１…混合室
７２…混合気入口
７３…漏れガス流路
８１…段差部
９１…空気バイパス経路

Claims (4)

1. 燃焼エネルギの供給により発光するエミッタと該エミッタの発光を受けて電気エネルギに変換する光電変換素子とを備えた熱光発電装置において、
   前記エミッタと対向する位置に前記光電変換素子を配置し、該エミッタの横側に燃焼室を設け、該燃焼室における燃焼により発生する熱を前記エミッタと前記光電変換素子との間に供給する熱供給路を設けた、ことを特徴とする熱光発電装置。
2. 前記燃焼室の囲いを２つの部材で構成し、これら２つの部材間の合わせ目で熱供給路を構成した、請求項１に記載の熱光発電装置。
3. 燃焼用のガスと空気を混合させる混合室を前記燃焼室の上流側に設け、前記２つの部材のうち前記熱供給路とは異なる合わせ目部分を前記燃焼室の上側に設け、該合わせ目部分が前記燃焼室と前記混合室を連通するよう構成された、請求項２に記載の熱光発電装置。
4. 前記熱供給路に空気を導入する経路を設けた、請求項１乃至３の何れか１項に記載の熱光発電装置。

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